基于底盘测功机的轮式工程机械底盘动力性能测试

赵 玮,王 强,李艳峰,王稳华,毛 迪

(解放军理工大学 工程兵工程学院,江苏南京 210007)

目前国内的轮式机械工程机械整车动力性能检测主要依靠道路行驶人工观测,测量误差大,人为因素对检测结果的影响较为明显.轮式工程机械底盘测功机是用来检测轮式工程机械整机道路模拟行驶性能的大型实验设备,改变了工程机械整车动力性能检测的现状,提高了检测数据的可靠性和可信度.运用轮式工程机械底盘测功机对某修竣工程机械进行底盘动力性能,通过测试该工程机械的底盘输出功率、底盘传动系统损耗功率和测功机台架损耗功率,计算工程机械发动机的实际输出功率,省去了以往测试发动机功率时拆装的繁琐过程,并且可以通过底盘损耗功率判定工程机械传动系统的性能.

1 测功机测量工程机械底盘输出功率方法

1.1 测功机测量工程机械底盘输出功率的动力分析

轮式工程机械功率传输过程中,发动机到驱动轮之间的液力变矩器、变速箱、万向节和传动轴、主减速器、差速器和半轴等装置构成了工程机械的动力传动系统[1].用轮式底盘测功机检测工程机械驱动轮输出功率时,动力传递路线为工程机械底盘传动系、驱动轮、滚筒、齿轮变速箱,最后传递至测功机(见图1).

在底盘检测线上进行功率检测试验时,轮式工程机械发动机输出的有效功率可以表示为

式中:Pt为工程机械传动系统损耗功率,通过测功机反拖试验测得;Pf为驱动轮与滚筒摩擦中损耗功率;Pl为底盘检测线损耗功率,通过测功机空载试验获得;Ps为转速扭矩传感器检测到的功率,连接滚筒的轴的转动功率.

1.2 功率补偿法

测功过程中,由于机械摩擦阻力的存在,车轮与滚筒的摩擦力要消耗功率,且工程机械传动系统与测功机传动系统也存在一部分功率损耗[2].损耗功率对工程机械发动机的输出功率判定产生较大影响,需要进行功率补偿,即

式中:P为工程机械底盘实际输出功率,即驱动轮输出功率;μ为工程机械轮胎与测功机滚筒的摩擦系数,一般地,μ=0.85～0.87.

图1 发动机输出功率的传输路线Fig.1 Transfers route of export power of engine

2 实验系统构建

2.1 测功机机械结构设计

工程机械型号不同,其轴距也不同.为使检测平台具有通用性能,设计了一个由液压缸驱动的移动台体,该移动滑台承载前轮检测滚筒移动.测试时,液压缸驱动滑台移动,调整前后滚筒的距离,以满足不同轴距工程机械的测试需要(图2).

图2 前轮测功平台结构Fig.2 Structure of measure platform for power front-wheel drive

工程机械的轮胎直径也相差较大,最大车轮直径可达1 500 mm,最小可为1 000 mm,这就造成相同的滚筒直径和滚筒间距下,不同的车轮直径所对应的安置角不同.安置角过小,可能导致车轮在测功过程中滑出测功台;安置角过大,可能导致机械在测功完成后驶出实验台困难.为了使滚筒间距既能满足车轮直径较大的工程机械不滑出实验台,又要满足车轮直径较小的工程机械能顺利驶出试验台的要求,国家标准规定,工程机械在测功机上行驶过程中,安置角不能小于26°,最佳安置角为31.5°.安置角和滚筒间距以及车轮外经之间的关系为

式中:L为滚筒间距;d为滚筒外径;D为车轮外径;α为安置角.

由式(3)可计算出不同车轮外径、不同滚筒间距下的安置角大小.当滚筒间距820 mm,取最大车轮所对应安置角为26°、最小车轮对应的安置角为36°,能够满足国家标准的有关要求.因此,当滚筒外径为400 mm时,选择滚筒间距为820 mm.

2.2 测量仪器的选择

根据轮式工程机械最大扭矩为10 kN◦m的要求,选择JC3A型扭矩传感器.该传感器额定扭矩为10 kN◦m,额定转速为3 000 r◦min-1,将其安装在连接滚筒的轴上,直接测量滚筒的扭矩与转速,并计算功率.JC型转矩转速传感器为磁电式传感器[3],其基本原理是:通过弹性轴、两组磁电信号发生器,把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号,这两组交流电的信号频率相同且与轴的转速成正比,而相位差的变化部分与被测转矩成正比.

2.3 功率吸收装置的选型

功率吸收装置是测功机的核心部件之一,需要满足被测工程机械低速大扭矩的特点.选用144 kW的Z4-280-32直流电机作为测功机,选用西门子直流变频器控制直流电机实现测功机模拟阻力的加载.直流电力测功机有两种运行工况,即反拖工况与加载工况[4,5].在反拖工况下,测功机作为电动机运行,测量工程机械底盘损耗特性[6];加载工况下,测功机作为发电机运行,测量车轮的输出功率与扭矩.

3 基于底盘测功机的某轮式工程机械的底盘动力性能测试

运用底盘测功机对某修竣轮式工程机械进行底盘动力测试,该工程机械的发动机为康明斯M11-C225,额定功率为168 kW.

3.1 测功机空载损耗功率测试

测功机空转,设定不同的转速,测量不同滚筒转速下的连接滚筒的轴的扭矩,计算测功机损耗功率,测试数据如图3所示.通过所测数据可以发现,在不同转速下,测功机的损耗功率随着滚筒转速的增加而增大,基本呈线性关系.滚筒轴与传感器之间只有支承滚筒轴的轴承消耗功率,消耗功率很少,远小于工程机械底盘的输出功率.由于底盘输出功率远大于测功机本身损耗功率,测功机滚筒自身损耗功率Pl可以忽略.

3.2 工程机械底盘损耗功率测试

如前所述,发动机输出的功率通过液力变矩器、变速箱、传动轴至轮边减速器,需要消耗部分功率.通过测功机反拖的方法,测量指定转速状况下底盘损耗的功率Pt.由检测结果(见图4)可以看出,随着滚筒转速即工程机械行驶速度的增加底盘损耗功率增大.

图3 测功机滚筒自身损耗功率曲线Fig.3 Lost power curve of dynamometer roller

图4 工程机械底盘损耗功率曲线Fig.4 Lost power curve of dynamometer roller of engineering machine

3.3 工程机械底盘输出功率测试实验分析

采用恒转速功率测量法检测工程机械底盘在各挡行驶速度下的最大输出功率.测功机滚筒带动工程机械“行驶”,当被反拖的工程机械达到指定的行驶速度时,驾驶员踩油门踏板至最大;当输出功率至某一数值10 s后,测功机继续施加负载,直至发动机熄火,此刻的功率就是工程机械在指定转速下输出的最大功率.以检测工程机械的后轮输出功率为例,测试结果如图5所示.通过图5看出,被检工程机械在三挡状态下滚筒转速为160 r◦min-1(实际行驶速度14.6 km◦h-1)时,后轮输出功率达到峰值48.0 kW.此时,前轮的输出功率也达到最大值33.1 kW,此刻底盘输出功率最大,为81.1 kW.由图5看出,该工程机械三挡时的输出功率最大;在不同挡位情况下,底盘输出功率随转速的增大而增大,至最大值后,继续增加转速,扭矩迅速减小,输出功率也迅速减小[7].

3.4 工程机械底盘动力性能评价

根据检测数据可以看出,随着转速的增加底盘损耗增大.当工程机械挂三挡以14.6 km◦h-1速度行驶时,滚筒转速为160 r◦min-1,底盘输出最大功率81.1 kW.根据工程机械在测功机上运转的功率传递路线,计算此时发动机的输出功率为

图5 工程机械后轮输出功率曲线Fig.5 Output power curve of rear wheel of engineering machine

式中:μ=0.85～0.87;η为液力变矩器传动效率,取0.8.

利用本文构建的实验系统进行测试,修竣后发动机的输出功率为151.9 kW.将该发动机进行发动机台架实验,测得功率为154 kW,偏差率为1.36%.可见,本测试系统与传统测试设备的测试结构具有较高的一致性.

根据俢竣检测标准,大修后工程机械的发动机输出功率不小于额定功率的90%,故该工程机械的发动机符合大修修竣标准要求,传动系统传动效率符合相关维修标准.

4 结语

构建了新型的测功机系统,既满足了工程机械低速大扭矩检测的要求,又实现了测功与反拖测试一体化,节省了测试成本.设计了功率补偿测试与计算方法,通过检测轮式工程机械底盘的输出功率和底盘损耗功率,实现了发动机输出功率的准确测量,同时可以评价工程机械底盘传动系统的性能,且避免了对修竣工程机械进行发动机的多次拆装.

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